ADXL345與EB3631在GPS導航中的應用

摘要：為實(shí)現用戶(hù)到目標點(diǎn)的距離測量和方向控制，設計并實(shí)現了基于加速度傳感器ADXL345和EB3631的GPS模塊的實(shí)時(shí)導航系統。系統選用EB3631搭建GPS模塊，通過(guò)串口與ATMEGA644P控制器通信采集GPS定位信息;采用加速度傳感器ADXL345，通過(guò)IIC協(xié)議與控制器通信實(shí)現位移測量。在0m-500m范圍內，時(shí)系統穩定性和準確性的反復測試，最終實(shí)現了相對誤差在10%以?xún)鹊臏蚀_度較高的導航系統。

隨著(zhù)GPS用戶(hù)設備價(jià)格不斷下降及GPS應用研究的不斷深入，大量GPS定位導航系統被應用于航海、飛機的導航、導彈衛星測控、精密授時(shí)、石油開(kāi)采等方面。由于受測量環(huán)境的干擾或者信號被阻擋導致GPS不能定位，同時(shí)受GPS定位芯片的影響，使得GPS接收機定位精度大大降低。為解決這些問(wèn)題，獲得精準的定位。文中以三軸加速度傳感器ADXL345為基礎，詳細描述了基于第三代GPS芯片EB3631的硬件和軟件設計方案，使得用戶(hù)可以實(shí)時(shí)獲取當前位置到目標位置的距離及方位，系統實(shí)用性較高。

1 硬件設計

GPS測距系統總體設計框架如圖1所示。主控制器采用基于A(yíng)VR內核的8位低功耗控制器ATMEGA644P，芯片具有64K的片內FLASH，2K的EEPROM，4K的片內SRAM。芯片通用I/O接口32個(gè)，集成了IIC接口、SPI接口、JTAG接口及8通道的10為ADC轉換接口，豐富的外圍接口，能更好的滿(mǎn)足系統的設計要求。GPS MODULE采用臺灣環(huán)天公司的EB3631為核心器件，由于采用TTL電平輸出，可以直接通過(guò)串口與控制器進(jìn)行通信，為用戶(hù)提供定位信息。三軸加速度傳感器ADXL345實(shí)現加速度的測量，從而得到用戶(hù)位移。電源模塊采用8節AA電池，經(jīng)過(guò)π型濾波電路，LM7805穩壓為ATMEGA644P、LCD1602液晶提供5 V電壓，5 V電壓經(jīng)過(guò)AMS1117系列低壓差穩壓芯片穩壓，為GPS模塊和加速度傳感器ADXL345供電。

1.1 加速度傳感器接口電路

ADXL345是ANALOG DEVICES公司的一款數字式的三軸加速度感器，測量范圍最小+2g，測量范圍最大達到±16g。芯片輸出數據采用16位的二進(jìn)制補碼形式，控制器可以通過(guò)三線(xiàn)制或四線(xiàn)制SPI接口訪(fǎng)問(wèn)，也可以通過(guò)IIC接口訪(fǎng)問(wèn)。ADXL345非常適合移動(dòng)設備應用，不僅可以測量靜態(tài)重力加速度，還可以測量運動(dòng)或者沖擊導致的動(dòng)態(tài)加速度。芯片分辨率非常高，能夠測量?jì)A斜角度小于1°的變化。ADXL345的工作流程為：首先由三軸敏感單元感知3個(gè)方向的比力，通過(guò)電子感應器件獲得模擬量，經(jīng)過(guò)AD轉換為數字信號，經(jīng)過(guò)數字濾波后送往控制欲中斷邏輯，在命令字的控制下通過(guò)I/O口與控制器交互。

ADXL345在IIC模式下工作時(shí)，CS引腳必須接VDD，芯片支持單字節或多字節的讀寫(xiě)，讀寫(xiě)地址是由7位的IIC器件地址和R/W位組成。IIC器件地址與ALT ADDRESS引腳的邏輯電平密切相關(guān)，當ALT ADDRESS引腳處于高電平時(shí)，7位器件地址是0x1D，相應的讀寫(xiě)地址就轉換為0x3B，0x3A;當ALT ADDRESS引腳處于低電平時(shí)，7位器件地址是0x53，相應的讀寫(xiě)地址就轉換為0xA7，0xA6[4];加速度傳感器的接口電路如圖2所示。SCL作為IIC總線(xiàn)的時(shí)鐘線(xiàn)，SDA是IIC總線(xiàn)的數據線(xiàn)，通過(guò)1～20K上拉電阻至VDD;INT1、INT2是ADXL345的中斷引腳。

1.2 NMEA-0813協(xié)議

NMEA-0813是美國海洋電子協(xié)會(huì )為海用電子設備制定的標準格式，數據輸出采用ASCII碼字符，目前廣泛采用的版本是V2.0。數據傳輸以$開(kāi)始，后面的是5個(gè)字母的語(yǔ)句頭。其中語(yǔ)句頭的前兩個(gè)字母代表系統“ID”，如果是GP，則表示該語(yǔ)句屬于GPS定位系統;如果是HC，則表示該語(yǔ)句屬于羅經(jīng)方位系統。語(yǔ)句“ID”由最后3個(gè)字母決定，語(yǔ)句頭之后是數據集合，不同類(lèi)型的數據字段以“，”分割，每條語(yǔ)句以回車(chē)換行符結束。

$GPGGA是GPS定位系統中標準的GPS定位信息語(yǔ)句，$GPRMC是推薦最小的定位信息語(yǔ)句。GPS數據傳輸采用標準的RS232異步傳輸，通信的波特率一般默認是4800，1個(gè)起始位，8個(gè)數據位，一個(gè)停止位，無(wú)奇偶校驗位。

1.3 EB3631 GPS模塊設計

GPS(Global Positioning System)，也是我們通常所說(shuō)的全球定位系統，一個(gè)完整的GPS定位系統由太空部分、監控部分、用戶(hù)部分組成。用戶(hù)部分由GPS接收機、數據處理軟件及相應的設備組成，GPS接收機是由前置放大器、信號處理、控制與顯示、記錄和供電單元組成。GPS系統定位的原理：每顆GPS衛星時(shí)刻發(fā)送自身的位置和時(shí)間信號，用戶(hù)接收機可以測量出每顆衛星到接收機的時(shí)間延遲，根據信號傳輸的速度，將速度與時(shí)間延遲相乘便可得出接收機到不同衛星的距離。三維坐標、速度和時(shí)間的確定至少需要接收到4顆衛星的數據才能解算。

基于EB3631的GPS接收板，是高性能的、低功耗的GPS接收板。核心器件采用第三代芯片SiRFstar III，高速的GPS芯片，-159dBm超高的靈敏度，4Mb的flash存儲空間，該芯片具有兩個(gè)串行口，方便與ATMEGA644P控制器通信，采用NMEA-0183和SIRF binary協(xié)議，一次最大可接收20顆衛星，即使在信號很微弱的環(huán)境，定位也很快。圖3所示是GPS接口電路。

2%20軟件設計

GPS測距系統的軟件開(kāi)發(fā)采用WINAVR/GCC編譯器，程序設計采用模塊化方式編寫(xiě)，其中包括ADXL345測量程序、GPS接收程序、LCD1602液晶驅動(dòng)程序。在編寫(xiě)程序前需要采集目標點(diǎn)坐標，這些數據將存儲在A(yíng)TMEGA644P控制器的片內2K的EEPROM中，在PC機上通過(guò)Google地圖獲得目標點(diǎn)經(jīng)緯度坐標。表1所示是阿壩師專(zhuān)校園坐標記錄。

2.1 ADXL345程序

ATMEGA644P通過(guò)IIC總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)三軸加速度傳感器ADXL345，IIC總線(xiàn)是飛利浦公司推出的一種串行總線(xiàn)，是具備多主機系統所需的總線(xiàn)裁決和高低速器件同步功能的高性能串行總線(xiàn)。IIC總線(xiàn)由數據線(xiàn)SDA和時(shí)鐘線(xiàn)SCL組成。IIC總線(xiàn)的數據線(xiàn)上提供起始、停止、應答、非應答四種信號。在使用ADXL345測量加速度時(shí)，需要對電源寄存器、數據格式寄存器初始化，初始化完成后，方可測量x、y、z方向的加速度。電源寄存器不僅可以設定供電模式，而且配合BW_RATE寄存器，還可對數據速率進(jìn)行設定，默認情況下是100 Hz。配置數據格式寄存器，可以設定SPI工作模式是三線(xiàn)制還是四線(xiàn)制、分辨率位數、量程、是否將自測應用到傳感器。以下是ADXL345初始化的主要代碼。

本題中將三軸加速度傳感器ADXL345的分辨率設置為13位，從寄存器DATAX0，DATAX1中讀出數值，將DATAX1中低5位數據和DATAX0的數據進(jìn)行拼接，DATAX1的高3為作為符號位，就能實(shí)現X方向的加速度測量，Y軸、Z軸方向加速度讀取方法與X軸方向一致。

2.2 GPS接收程序

由于GPS板接收到的語(yǔ)句格式不只一條，所以要完整的接收到“$GPGGA*”數據，就必須對語(yǔ)句頭進(jìn)行檢測，當接收的字符和這7個(gè)字符完全相同后，才能將數據進(jìn)行存儲，當接收到“*”字符，表示該條語(yǔ)句接收結束，可以對數據進(jìn)行處理。圖4所示是串行口中斷函數接收子程序流程。

2.3 主程序

主程序的設計包括初始化相關(guān)寄存器、I/O端口、USART、IIC以及LCD1602液晶初始化，初始化完成之后顯示開(kāi)機LOGO。在循環(huán)體中，先進(jìn)行鍵盤(pán)掃描，以選擇目標點(diǎn)，ATMEGA644P控制器通過(guò)串口中斷接收GPS接收板發(fā)回的$GPGGA數據，以獲得當前的坐標，經(jīng)過(guò)計算得到當前位置距離目標點(diǎn)距離及相對方向，通過(guò)LCD1602液晶顯示。然后每隔5秒，判斷是否需要采集當前的經(jīng)緯度數據，通過(guò)公式(1)計算獲得最新數據信息，以便數據信息及時(shí)更新。圖5是主程序流程圖。

d=R*arccos(θ)*PI/180

其中θ=sin(LatA)*sin(LatB)+cos(LatA)*cos(LatB)*cos(LongA-LongB)，(LatA，LongA)是A點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標，(LatB，LongB)是B點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標。經(jīng)度按照東正西負來(lái)計，緯度按照北緯取90-緯度值，南緯取90+緯度值，地球半徑R為6 371 004 m，PI取值3.141 592 6。

3 測試結果

在阿壩師專(zhuān)校園試運行，接收當前位置信息時(shí)要確保接收到3顆及以上的衛星，使得GPS定位準確，所采集的經(jīng)緯度數據有效，獲得較準確的距離。表2所示是實(shí)測距離結果是以行政樓作為當前位置。

通過(guò)表2可以看出測量距離在500 m以?xún)?，相對誤差范圍控制在10%以?xún)?，達到了較高的精度。

4 結束語(yǔ)

文中設計了一種基于A(yíng)TMEGA單片機的低功耗、低成本的跟蹤系統。主要闡述了整個(gè)系統的硬件設計原理、主要模塊電路設計及軟件設計流程，系統在戶(hù)外運行，通過(guò)實(shí)驗測得的數據誤差較小，能提供長(cháng)達8h以上連續穩定工作，為用戶(hù)導航提供很大的幫助。